外延摻雜的鍺錫合金的形成方法
【專利摘要】在此描述用于形成鍺錫層的方法與所得的實施例。將鍺前驅(qū)物與錫前驅(qū)物提供至腔室，且在基板上形成鍺錫的外延層。鍺錫層選擇性沉積在基板的半導體區(qū)域上，且可包括具有改變的錫與摻雜劑濃度的厚度區(qū)域。可通過交替地或同步地將鹵化物氣體流入以蝕刻基板表面而選擇性沉積鍺錫層。
【專利說明】外延摻雜的鍺錫合金的形成方法
[0001]發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域
[0002]在此描述的技術(shù)涉及半導體裝置的制造。更詳言之，描述使用四族合金材料而形成場效應晶體管的方法。
[0003]相關(guān)技術(shù)的描述
[0004]鍺是用于CMOS晶體管的第一材料之一。然而，由于相較于鍺，硅大量豐存，所以硅已成為CMOS制造上的占極大優(yōu)勢的半導體材料的選擇。當根據(jù)摩爾定律裝置幾何大小減少時，晶體管部件的尺寸使工程師在致力于制作更小、更快、使用更低功率、且生成更少熱的裝置上面臨挑戰(zhàn)。例如，當晶體管的尺寸減少，晶體管溝道區(qū)域變得更小，且溝道的電子性質(zhì)變得更不可行，且電阻率更高、閾值電壓也更高。
[0005]通過使用嵌在源極/漏極區(qū)域中的硅鍺壓力源(stressor)，而增加硅溝道區(qū)域中的載子遷移率，此強化硅的本征遷移率。然而，對于未來的節(jié)點而言，需要更高遷移率的裝置。
[0006]已建議轉(zhuǎn)換至遷移率比硅更高的材料，諸如用于pMOSFET的鍺。然而，鍺的遷移率并未比應變硅卓越，除非鍺也經(jīng)應變。最近，已發(fā)現(xiàn)生長在源極漏極區(qū)域上的鍺錫(GeSn)具有制作卓越鍺pMOSFET溝道的應變，這是利用鍺/GeSn晶格的不匹配。
[0007]橫跨材料結(jié)構(gòu)之一者或材料結(jié)構(gòu)的層疊的導電率是CMOS形成上的重要面向(facet) ο整體導電率是載子遷移率、載子濃度、與材料間能帶對準(band alignment)的函數(shù)。在這些方面，GeSn是具有吸引力的。高載子遷移率層將比低遷移率層更受惠于增加的載子濃度。摻雜是一種增加載子濃度的手段，然而現(xiàn)有技術(shù)中并未公開摻雜GeSn層的方法。因此，持續(xù)需要選擇性形成高遷移率半導體元件以及操縱相關(guān)導電率的方法和設備。
[0008]發(fā)明概沭
[0009]在此提供用于在半導體基板上形成導電層的方法和設備。在一個實施例中，GeSn層可選擇性形成在基板的半導體表面上，這是通過以下步驟實現(xiàn):將基板定位在處理腔室中，該基板具有介電表面和半導體表面二者；將鍺氫化物前驅(qū)物、錫前驅(qū)物和摻雜劑共同流入該處理腔室中；外延生長GeSn層，直到達到期望的層厚度為止；將蝕刻劑流進該處理腔室中，該蝕刻劑包含齒素氣體；和重復該外延生長和蝕刻步驟，直到具有期望的整體厚度的GeSn層選擇性生長在非介電表面上為止。該錫前驅(qū)物與摻雜劑的流量可在生長程序期間改變。蝕刻劑的流入也包括:使該摻雜劑與錫前驅(qū)物流入，以減少摻雜劑與錫的損失。
[0010]在另一實施例中，GeSn層可選擇性形成在基板的半導體表面上，這是通過以下步驟實現(xiàn):將基板定位在處理腔室中，該基板具有介電表面與半導體表面二者；將鍺氫化物前驅(qū)物、錫前驅(qū)物、蝕刻劑和摻雜劑共同流入該處理腔室中，該蝕刻劑包含齒素氣體；和外延生長鍺錫層，直到生長期望的整體厚度為止，其中該蝕刻劑將防止GeSn生長于介電層上。沉積期間，可改變錫前驅(qū)物和摻雜劑的流量。
[0011]鍺前驅(qū)物可以是氫化物，且錫前驅(qū)物可以是錫的齒化物?？蓪⑽g刻劑(例如鹵化物氣體)納入反應混合物，以控制基板的半導體區(qū)域與介電區(qū)域上的沉積選擇性。
[0012]一或多個實施例可包括這樣的半導體基板:具有介電區(qū)域與半導體區(qū)域二者的上表面，和沉積在該上表面上的受摻雜的結(jié)晶鍺錫層，其中該錫與摻雜劑濃度于該層內(nèi)的某些區(qū)域改變。
[0013]附圖簡要說明
[0014]因此，通過參考實施例(一些實施例圖示于附圖中)，可獲得于上文中簡要概括的本發(fā)明的更具體描述，而能詳細理解本發(fā)明的上述特征。然而應注意，附圖僅描繪本發(fā)明的典型實施例，因而不應將所述附圖視為限制本發(fā)明的范圍，因為本發(fā)明可允許其他同等有效的實施例。
[0015]圖1是概括根據(jù)一個實施例的方法的流程圖。
[0016]圖2是概括根據(jù)另一實施例的方法的流程圖。
[0017]圖3描繪通過上述方法形成的基板，該方法包括源極/漏極區(qū)域上的選擇性沉積。
[0018]為便于理解，如可能則使用相同標號來表示附圖所共有的相同元件。預期一個實施例中公開的元件可有利地用于其他實施例，而無需特別敘述。
[0019]具體描沭
[0020]圖1是根據(jù)一或多個實施例的方法100的流程圖。在步驟102，將半導體基板定位在處理腔室中。半導體基板可以是上面待形成壓力源層的任何半導體材料，諸如硅或鍺。在一個例子中，可使用上面待形成晶體管結(jié)構(gòu)的硅基板。在一些實施例中，該硅基板可具有介電區(qū)域，所述介電區(qū)域形成在該硅基板的表面上。例如，該硅基板可具有形成在鄰接半導體源極/漏極區(qū)域處的介電間隔物和晶體管柵極結(jié)構(gòu)，所述半導體源極/漏極區(qū)域可以是受摻雜的硅的區(qū)域或是上面待形成源極/漏極材料與觸點的區(qū)域。因此，除了摻雜的硅或鍺層之外，所述源極/漏極區(qū)域可包括此述的GeSn層；或者，所述源極/漏極區(qū)域可包括此述的GeSn層以取代該摻雜的硅或鍺層。
[0021 ] 此述的實施例一般包括GeSn層，該GeSn層已受摻雜而控制導電率。通過改變GeSn基質(zhì)(matrix)中所并入的錫濃度,而可將GeSn層的導電率控制在低錫濃度。然而,GeSn層仍在相對低導電率的狀態(tài)。摻雜GeSn層提供給材料額外的載流子。摻雜劑原子提供半導體位于導帶的自由電子或位于價帶的電子空位(或空穴)，上述二者提供半導體更高的導電度，此更高的導電度在生產(chǎn)CMOS特征上相當有用。
[0022]可例如以步驟104般將下GeSn層沉積為具有不同厚度區(qū)域，以諸如在接近半導體界面處的區(qū)域在濃度上具有改變。GeSn層的錫與摻雜劑濃度可經(jīng)修整至期望的濃度，此期望的濃度可在GeSn層表面與半導體界面之間形成的不同厚度區(qū)域處改變，而造成GeSn層內(nèi)錫和/或摻雜劑的梯度般濃度或其他改變序列。因此，下GeSn層雖然主要由鍺、錫與摻雜劑構(gòu)成，但可與上GeSn層有所區(qū)別(distinct)。在此例子中，鍺層的形成可通過使鍺前驅(qū)物流入而起始。鍺前驅(qū)物一般是鍺的氫化物，諸如乙鍺烷(Ge2H6),或更高級的氫化物(GexH2x+2)，或前述化合物的組合。鍺前驅(qū)物可與載氣混合，該載氣可以是非反應性氣體(諸如氮氣、氫氣)或稀有氣體(氦氣或氬氣)或前述氣體的組合。
[0023]錫前驅(qū)物與鍺前驅(qū)物同時被提供至處理腔室，以使該錫前驅(qū)物與該鍺前驅(qū)物反應，且沉積錫摻雜的鍺的梯度改變(graded)層。錫前驅(qū)物可以是錫鹵化物氣體(例如SnCl4^SnCl2)、或具有化學式RxSnCly的有機錫氯化物(其中R是甲基或叔丁基，x是I或2，且y是2或3)，使得所形成的層主要由鍺與錫構(gòu)成。層的組成可通過以下方式起始:僅將鍺前驅(qū)物流入以建立整體上具有鍺(而具有極少錫或沒有錫)的層的初始部分。錫的流量可漸進式增加，而導致在最終GeSn層的上部中有增加的錫濃度。相較于單獨使用GeSn層，下GeSn層既可導致GeSn層更佳的結(jié)合也可導致更佳的電子遷移率。
[0024]GeSn層中的摻雜劑可由P型或η形摻雜劑選出，所述摻雜劑諸如硼、磷、或砷，這些摻雜劑是通過諸如乙硼烷(B2H6)、膦(PH3)、和/或胂(AsH3)的前驅(qū)物所輸送。摻雜劑可與鍺前驅(qū)物以及錫前驅(qū)物以恒定的速率或以與輸送錫類似的梯度改變速率共同流入腔室。進一步而言，錫和/或摻雜劑的梯度可經(jīng)操縱以達到錫與摻雜劑二者的最終濃度，該最終濃度反映該有所區(qū)別的厚度區(qū)域(諸如薄的下GeSn層)之后沉積的一或多個層中的錫與摻雜劑的濃度。
[0025]在步驟106，鍺前驅(qū)物、錫前驅(qū)物和摻雜劑可同時流入處理腔室中。鍺前驅(qū)物、錫前驅(qū)物和摻雜劑可選自如針對下GeSn層所公開的相同組，但他們不必是相同的前驅(qū)物。鍺前驅(qū)物的體積流量對載氣流量的比率可用于控制通過腔室的氣流速度。該比率可以是從約1%至約99%的任何比例，取決于期望的流動速度。在一些實施例中，相對高的速度可改善形成的層的均勻度。在300mm的單晶片實施例中，鍺前驅(qū)物的流量可介于約0.1sLm至約2.0sLm之間。對于體積約50L的腔室而言，在鍺前驅(qū)物為上述流量下，介于約5sLm至約40sLm的載氣流量提供均勻的層厚度。錫前驅(qū)物可與鍺前驅(qū)物共同流進腔室中，以外延式生長GeSn層。
[0026]以介于約1sccm至約300sccm之間的流量提供錫前驅(qū)物至處理腔室,諸如介于約50sccm至約200sccm之間,例如約lOOsccm。錫前驅(qū)物也可與載氣混合，以實現(xiàn)處理腔室中期望的空間速度和/或混合表現(xiàn)。錫前驅(qū)物可源自錫鹵化物的液體或固體源，該液體或固體源被氣化至流動的載氣流(諸如N2、H2、Ar或He)中，或錫前驅(qū)物可通過以下方式生成:將在接觸腔室中在固體金屬上方傳送鹵素氣體(視情況與上述載氣的其中一者一并傳送)，以執(zhí)行反應Sn+2C12 — SnCl40起泡機或接觸腔室可鄰接處理腔室，該處理腔室通過導管耦接該起泡機或接觸腔室，該導管較佳為夠短以減少錫前驅(qū)物顆粒沉積在導管中的可能性。
[0027]GeSn層的生長大體上是外延式，以為了結(jié)構(gòu)上的高品質(zhì)。處理腔室中的壓力維持在約5Torr至約200Torr之間，諸如介于約20Torr至約200Torr之間，較佳實施例為介于約20Torr至約80Torr之間。溫度可維持在從約250°C至約500°C，諸如從約300°C至約450°C，例如約300°C。溫度維持得夠低以避免錫在層中偏析(segregat1n)，大體上該溫度維持在低于400°C。在一些實施例中，壓力可低于約5Torr，但降低壓力也降低了沉積速率。
這些條件下的沉積速率是介于約50 A/min至約500 A/miii之間。
[0028]在步驟108，上GeSn層外延式生長至期望厚度，這是根據(jù)下述反應:
[0029]SnCl4+GeH4 — SnH2Cl2+GeH2Cl2
[0030]SnH2Cl2+H2 — Sn+2HC1+H2
[0031]GeH2Cl2+H2 — Ge+2HC1+H2
[0032]上述的有機錫氯化物也會發(fā)生類似的反應。較高級的鍺烷產(chǎn)生氯鍺烷(chlorogermane)中間物的混合物,此混合物類似地溶解至鍺錫沉積物中?？商峁錃庵燎皇乙灾练e反應。任何或所有前驅(qū)物可包括氫氣的流量，該流量從約5sLm至約40sLm，以提供周圍環(huán)境(ambient)的氫濃度。
[0033]上GeSn層一般被沉積至約丨00 A至約800 A的厚度。在此述的實施例中，根據(jù)方法100，鍺基質(zhì)中的錫原子濃度可從0.5原子％至12原子％，諸如3原子％至9原子％，例如約6原子％。類似控制錫濃度，摻雜劑的濃度可經(jīng)控制而維持特定摻雜劑濃度或?qū)诫s劑以特定水平導入GeSn層。標準的實施例包括使用乙硼烷作為前驅(qū)物而以硼摻雜，硼的最終濃度為從每立方厘米519個原子至I21個原子。
[0034]擁有有所區(qū)別的錫與摻雜劑濃度分布曲線(profile)的厚度區(qū)域可再次生長于上GeSn層內(nèi)的任何地方，類似下GeSn層但更遠離基板界面。在一些實施例中，最遠離基板的GeSn層的表面附近的區(qū)域可顯現(xiàn)濃度的改變。
[0035]在步驟110，可將蝕刻劑流進處理腔室中。提供蝕刻劑以控制基板表面上鍺與錫的沉積。蝕刻劑將沉積的物種從基板的介電區(qū)域選擇性去除，該去除比從半導體區(qū)域去除快。從而蝕刻劑可為選擇性控制物種，因為在一些實施例中，選擇性可通過調(diào)整反應混合物中蝕刻劑相對于反應性物種的量而獲得控制。可連同蝕刻劑流一并將摻雜劑與錫前驅(qū)物納入，以減少錫與摻雜劑的損失。
[0036]蝕刻劑一般是含鹵素物種，諸如鹵化物，例如HCl、HF、或HBr。在一個實施例中，蝕刻劑可以是氯或HC1?？捎媒橛诩s1sccm至約100sccm之間的流量提供蝕刻劑,諸如介于約10sccm至約500sccm之間,例如約200sccm。
[0037]在步驟112，可重復外延生長和蝕刻步驟，以生長具有期望厚度的GeSn層。如先前所述，相較于半導體區(qū)域，蝕刻劑優(yōu)先蝕刻介電區(qū)域。然而，因工藝并非完全選擇性，故可能發(fā)生半導體區(qū)域上方有一些層的耗減。就此而言，生長較薄的層(諸如500 A或更薄的層)可為有利的，且隨后當通過此方法選擇性沉積時，蝕刻而從介電區(qū)域去除這些層。重要的是，應注意在沉積與蝕刻步驟之間條件不需要維持恒定。就此而言，蝕刻應根據(jù)蝕刻劑的選擇、層厚度、與鍺對錫的比例而在溫度與壓力二者上最佳化。
[0038]圖2是概括根據(jù)另一實施例的方法200的流程圖。方法200在許多方面類似方法100，且可用于在處理具有半導體與介電區(qū)域的基板時實現(xiàn)類似的結(jié)果。在步驟202，具有半導體與介電特征的基板設置在處理腔室中，特性如上文中與圖1有關(guān)聯(lián)的內(nèi)容所述。
[0039]在步驟204，可同時將鍺前驅(qū)物、錫前驅(qū)物、蝕刻劑與摻雜劑流入處理腔室中，以沉積下GeSn層。將鍺前驅(qū)物、錫前驅(qū)物、蝕刻劑與摻雜劑提供至處理腔室，該鍺前驅(qū)物、錫前驅(qū)物、蝕刻劑與摻雜劑可以是與圖1有關(guān)聯(lián)的內(nèi)容所述的各自前驅(qū)物的任一者。如前文所述，錫與摻雜劑可如參考圖1所述般改變。
[0040]在步驟206，可同時將鍺前驅(qū)物、錫前驅(qū)物、蝕刻劑與摻雜劑流入處理腔室中。將鍺前驅(qū)物、錫前驅(qū)物、蝕刻劑與摻雜劑提供至處理腔室，該鍺前驅(qū)物、錫前驅(qū)物、蝕刻劑與摻雜劑可以是與圖1有關(guān)聯(lián)的內(nèi)容所述的各自前驅(qū)物的任一者。鍺前驅(qū)物與錫前驅(qū)物可分開導入處理腔室中且在處理腔室中混合，以避免在遇到基板表面之前沉積。
[0041]在步驟208，GeSn層可外延生長至期望厚度。層的生長選擇性與沉積速率可通過調(diào)整蝕刻劑對鍺前驅(qū)物的體積比例而獲得控制。較高的比例減少整體沉積速率，但改善選擇性。此體積流量比例的范圍取決于溫度、壓力與所用的特定源。在范圍的上端，沉積速率是約50 A/min，而在該范圍的下端，沉積速率是約500 A/min。然而，在該范圍的上端，未觀察到基板的介電區(qū)域上有膜生長，而在該范圍的下端，半導體區(qū)域上的沉積速率大約是介電區(qū)域上的沉積速率的約50倍。
[0042]通過改變GeSn基質(zhì)中所導入的錫濃度，可將GeSn層的導電度控制在低錫濃度?？赏ㄟ^調(diào)整反應混合物中錫前驅(qū)物對鍺前驅(qū)物的比例，而控制錫濃度。在一或多個實施例中，提供至處理腔室的錫前驅(qū)物對鍺前驅(qū)物的體積流量的比率將會在約0.1%至約2%之間，諸如約0.4%至約I %之間，例如約0.6%。此比率可在沉積期間于某些時間改變，以在GeSn層內(nèi)建立具有改變的錫濃度的厚度區(qū)域。在一些實施例中，接近GeSn層的上表面的區(qū)域(最遠離基板的表面)可顯現(xiàn)此濃度改變。
[0043]圖3描繪通過上述方法形成的裝置，該方法包括基板300的半導體區(qū)域上的選擇性沉積。基板300可由任何可得的半導體材料構(gòu)成，諸如鍺或硅的復合物?；?00可具有半導體區(qū)域302與介電區(qū)域304，該半導體區(qū)域302可以是摻雜的硅區(qū)域或上面待形成源極/漏極材料的區(qū)域，而介電區(qū)域304諸如具有形成在表面上的晶體管柵極結(jié)構(gòu)與介電間隔物、隔離物、或硬模的區(qū)域。
[0044]摻雜的結(jié)晶GeSn層(包括下GeSn層308與上GeSn層310)可形成在半導體區(qū)域306的上表面上。摻雜的GeSn層可形成在預先存在的(preexisting)源極/漏極材料的頂部上，該預先存在的源極/漏極材料諸如P型摻雜的硅、硅鍺、或鍺層。摻雜的結(jié)晶GeSn層可在上GeSn層310與下GeSn層308之間或在任一層的不同區(qū)域處具有改變的錫濃度(如上文所公開)，且可如上文所述般受摻雜。摻雜劑可選自用于CMOS特征中的源極/漏極區(qū)域的可得的摻雜劑，諸如硼、磷、或砷。GeSn層308與310可選擇性地沉積在半導體區(qū)域上且不沉積在介電區(qū)域上，以在基板上的源極/漏極區(qū)域上或溝道區(qū)域中形成高電子與空穴遷移率層。其他層可沉積在GeSn層表面上，以形成進一步的結(jié)構(gòu)，諸如鍺層、介電絕緣物、或金屬。
[0045]摻雜的GeSn層可擁有具有改變的錫與摻雜劑濃度的有所區(qū)別的厚度區(qū)域，諸如設置在半導體區(qū)域302上的下GeSn層308。下GeSn層308可比1nm薄，且可具有從基板界面測量至下GeSn層308的上表面的錫濃度梯度。具有改變的錫與摻雜劑濃度的有所區(qū)別的區(qū)域可在GeSn層厚度內(nèi)的任一處。
[0046]在此描述用于形成GeSn層的方法與所得的實施例。將鍺前驅(qū)物與錫前驅(qū)物提供至腔室，且在基板上形成GeSn的外延層。GeSn層選擇性沉積在基板的半導體區(qū)域上，且可包括具有改變的錫與摻雜劑濃度的厚度區(qū)域?？赏ㄟ^交替地或同步地將鹵化物氣體流入以蝕刻基板表面或選擇性控制基板表面上的GeSn層的沉積，而選擇性沉積GeSn層。
[0047]前述內(nèi)容涉及本發(fā)明的實施例，可不背離本發(fā)明的基本范圍而設計本發(fā)明的其他與進一步的實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種在基板上選擇性形成摻雜的GeSn層的方法，所述方法依序包括以下步驟: 將基板定位在處理腔室中，其中所述基板包括介電表面與非介電表面二者； 將鍺氫化物前驅(qū)物、錫齒化物和摻雜劑共同流入所述處理腔室中，所述鍺氫化物的通式為GenH(2n+2)，其中η大于I ; 外延生長GeSn層，直到達到期望的層厚度為止； 將包含鹵化物氣體的蝕刻劑流進所述處理腔室中；和 重復所述外延生長和蝕刻步驟，直到具有期望的整體厚度的GeSn層選擇性生長在非介電表面上為止。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鹵化物氣體是氯氣或氯化氫。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述GeSn層含有濃度為介于0.5原子％至12原子％之間的錫。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述摻雜劑包含乙硼烷(B2H6)、膦(PH3)、或胂(AsH3)的一或多者。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中溫度維持在約300°C至約450°C。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述蝕刻步驟也包括以下步驟:流入所述摻雜劑和所述錫前驅(qū)物。
7.一種在基板上選擇性形成摻雜的GeSn層的方法，所述方法包括以下步驟: 將所述基板定位在處理腔室中； 將鍺氫化物前驅(qū)物、錫齒化物、摻雜劑與蝕刻劑共同流入所述處理腔室中，所述鍺氫化物的通式為GenH(2n+2)，其中η大于I，而所述蝕刻劑包含鹵素氣體；和 外延生長GeSn層，直到生長期望的整體厚度為止，其中所述蝕刻劑將防止GeSn生長于介電層上。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述鹵素氣體是氯氣或氯化氫。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述GeSn層含有濃度為介于0.5原子％至12原子％之間的錫。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述摻雜劑包含乙硼烷(Β2Η6)、膦(PH3)、或胂(AsH3)的一或多者。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其中溫度維持在約300°C至約450°C。
12.—種半導體基板，所述半導體基板包括: 上表面，所述上表面具有介電區(qū)域與半導體區(qū)域二者；和 受摻雜的導電鍺錫層，沉積在所述半導體區(qū)域上，且具有在所述層內(nèi)改變的錫與摻雜劑濃度。
13.如權(quán)利要求12所述的基板，其中所述錫濃度的改變是限制在一定厚度區(qū)域，所述厚度區(qū)域是在基板與所述鍺錫層之間的界面附近。
14.如權(quán)利要求12所述的基板，其中所述錫濃度的改變是限制在離基板與所述鍺錫層之間的界面最遠處的一定厚度區(qū)域以及離基板與所述鍺錫層之間的界面最近處的一定厚度區(qū)域。
15.如權(quán)利要求12所述的基板，其中所述摻雜劑包含硼、磷、或砷的一或多者。
【文檔編號】H01L21/8238GK104185895SQ201380015682
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月2日
【發(fā)明者】埃羅爾·安東尼奧·C·桑切斯, 黃宜喬 申請人:應用材料公司